材料导论第二章材料科学与工程的四个基本要素课件

1、第二章 材料科学与工程的四个基本要素2.1 材料科学与工程的形成与内涵2.1.1 材料科学的形成卫星上天引发的震动 “材料科学”概念的提出只是20世纪50年代末到60年代初的事情。 1957年，前苏联人造卫星首先上天，对美国人触动很大。1957年10月和11月，苏联先后发射了两颗重量分别为80kg和500kg的人造卫星。直到第二年的1月底，美国才发射了一个重量仅8kg的人造卫星。1 由于当时正是苏美两国争夺世界霸权的冷战时代，这件事在美国朝野引起很大震动。各有关部门联合向总统提出报告，认为美国落后于苏联的原因主要在于先进材料的研究开发方面。 1958年3月，美国总统发布了“全国材料规划”，决定

2、由12所大学成立材料科学研究中心，采用先进的科学理论和实验方法对材料进行深入研究，从此出现了“材料科学”一词。 1966年，美国麻省理工学院将“冶金系”改为“冶金与材料科学系”，1975年又将其更名为“材料科学与工程系”。这标志着人们开始把材料的研究作为自然科学的一个分支，从此“材料科学”学科开始兴起。2.1 材料科学与工程的形成与内涵2科技发展的必然结果1） 20世纪上半叶基础学科的发展奠定了材料科学的基础 量子力学、固体物理、无机化学、有机化学、物理化学等基础学科的发展为材料科学的形成奠定了重要的理论基础；而各种现代分析技术的进步，加深了人们对物质结构和材料的物理化学性质的理解；同时，冶金

3、学、金属学、陶瓷学、高分子科学等应用科学的发展也使人们对材料本身的研究大大加强。这使人们对材料的制备、结构、性能以及它们之间的相互关系的研究也越来越深入。2）不同材料应用理论的交叉融合促进了材料科学的形成 在“材料科学”概念出现以前，金属、陶瓷和高分子都已自成体系，但它们之间存在颇多相似之处，不同材料之间可以相互借鉴，促使了该学科的发展。2.1 材料科学与工程的形成与内涵33）不同材料测试技术及工艺技术的交叉融合也促进了材料科学的形成 虽然不同类型的材料各有其专用的生产设备和测试手段，但它们在许多方面是相同或相近的。 一方面，不同材料的结构与性能表征方法大体上是相通的。 例如，光学显微镜、电子

4、显微镜、表面测试设备、力学性能及其他物理性能测试设备等，对不同类型的材料而言是通用的。 另一方面，在材料的制备与加工中，有许多工艺也是通用的。 例如，挤压工艺常用于金属材料的成形加工以提高强度，而某些高分子材料通过挤压法形成纤维同样能使其比强度和比刚度大幅度提高。 2.1 材料科学与工程的形成与内涵4 材料科学的提出20世纪60年代初 “材料”早以存在 1957年苏联卫星上天，美国震动很大，在大学相继建立十余个材料科学研究中心。自此，“材料科学”一词广泛应用。 材料科学的形成是科学技术发展的结果 材料科学是当代科学技术发展的基础、工业生产的支柱，是当今世界的带头学科之一材料科学的形成 材料学的

5、三个重要特性 多学科交叉 密切结合实际应用 发展中的学科2.1 材料科学与工程的形成与内涵52.1.2 材料科学与工程的形成 材料科学的核心内容，在于研究材料的成分、组织结构与性能的关系，具有科学的性质，其目的是解决“为什么”。 材料工程的核心内容，在于研究材料在制备、成形、处理和加工过程中的工艺技术问题，其目的是解决“怎样做”。 把“材料科学”与“材料工程”两者有机结合起来，就形成了“材料科学与工程”。 材料科学为材料工程提供设计依据，为更好地选择、使用和发展新材料提供理论基础；材料工程又为材料科学提供丰富的研究课题和物质基础。可见，材料科学与材料工程是紧密联系的。2.1 材料科学与工程的形

6、成与内涵62.1.3 材料科学与工程的特点1）材料科学与工程具有鲜明的工程性 材料科学与工程具有物理学、化学、冶金学、陶瓷学、高分子学等多学科相互融合、相互交叉的特点，并且与实际应用的关系非常密切，具有鲜明的工程性。 实验室的研究成果必须经过工程研究与开发，以确定合理的工艺流程，并通过中试试验后才能生产出符合要求的材料；此外，各种材料在使用中，还会暴露出一些问题，需要反馈到研究与开发环节，进行改进后再回到应用领域。 只有经过多次反复的应用与改进，才能成为成熟的材料。即便是成熟的材料，随着科技的发展与需求的推动，还要不断加以改进。因此，在材料研究中，将会涉及到材料研究、工艺改进、试验测试、中试试

7、验、推广应用和完善改进等各阶段的研究工作。2.1 材料科学与工程的形成与内涵72）材料科学与工程有明确的应用背景和应用目的 发展材料科学与工程的目的是开发新材料，并为之提供新技术、新方法和新工艺；或者提高已有材料的性能和质量，降低成本和减少污染，以更好地使用已有材料，充分发挥其作用。材料科学与工程在这一点上与材料物理、材料化学有重要区别。3）材料科学与材料工程是相辅相成、密不可分的 在材料科学与工程中，材料科学侧重于发现和揭示材料四要素之间的关系，以提出新概念和新理论；材料工程则侧重于寻求新手段以实现新材料的设计思想并使之投入应用。两者是相辅相成、密不可分的。2.1 材料科学与工程的形成与内涵

8、82.1.4 材料科学与工程的四要素 材料的化学成分、组织结构是影响其各种性质的直接因素，加工过程通过改变材料的组织结构而影响其性质。另一方面，改变化学成分会改变材料的组织结构，从而影响其性质。 组织结构是核心，性能是研究工作的落脚点。2.1 材料科学与工程的形成与内涵(性质）9 材料的品种及其应用多种多样，材料的问题涉及到许多科学与工程学科，因此，人们一直关心各种材料的统一性和相关性。 材料科学与工程四个基本要素的提出，才使得在貌似不相关的材料之间找到了共同点，即无论哪种材料都包括以下四个基本要素：成分与结构合成与加工性能（性质或固有属性）使用性能2.1 材料科学与工程的形成与内涵 把四大要

9、素连接在一起，就形成一个四面体。该四面体模型较好地描述了作为一个整体的材料科学与工程的内涵和特点，反映了材料科学与工程研究中的共性问题。因此，抓住了材料科学与工程的四个要素，就抓住了材料科学与工程的本质。101）材料的结构与成分 每个特定的材料都具有一个从原子、电子尺度到宏观尺度的结构。在各种尺度上，对材料的结构进行研究是材料科学与工程学科的重要方面。 材料的结构一般包含几个层次：电子层次；原子或分子排列层次；（纳米层次）显微层次；宏观层次 当前，由于材料的性质和使用性能愈来愈多地取决于材料的纳米结构，对介于宏观尺度和微观尺度之间的纳米尺度的探究已成为材料科学与工程的新重点。2.1 材料科学与

10、工程的形成与内涵11材料的结构层次宏观结构Macroscopic Structure微观结构Microscopic Structure原子尺度Atomic Level亚原子尺度Subatomic Level2.1 材料科学与工程的形成与内涵12材料的不同层次的结构：原子结构、电子结构是研究材料特性的两个最基本的物质层次;键合结构: 描述原子/离子间的化学键性质纳米结构: 纳米尺度上的结构显微组织（显微结构, Microstructure）指多晶材料的微观形貌、晶体学结构和取向、晶界、相界、界面相、亚晶界、位错、层错、孪晶、固溶和析出、偏析和夹杂、有序化等。宏观组织（Macrostructure

11、）如材料的孔隙、岩石的层理、木材的纹理（纤维状）等。材料的显微结构对材料的性能具有相当大的影响。2.1 材料科学与工程的形成与内涵132）材料的合成与加工 材料的合成与加工过程实质上是一个建立原子、分子的新排列，从原子尺度到宏观尺度上对材料结构进行控制的过程。合成通常是指把原子和分子组合在一起来制造新材料时所采用的物理和化学方法。加工除了为生产有用材料而对原子、分子进行控制外，还包括材料形状在较大尺度上的改变。2.1 材料科学与工程的形成与内涵 研究表明，材料的性质和使用性能取决于材料的组成及结构，后者又取决于合成与加工工艺。143）材料的性能（性质或固有属性） 每一种材料都有其固有的性质，因

12、而材料在各种外部作用的刺激下就会有特定的响应，材料的性能就是材料这种固有属性的定量描述。 材料的任何性能，都源于材料特定的结构，都是材料经合成或加工后由其结构与成分的变化而产生的结果。2.1 材料科学与工程的形成与内涵材料的性能物理性能化学性能力学性能如导电性、导热性、折射率、磁化率等如抗氧化性、抗腐蚀性等如强度、塑性、韧性等154）材料的使用性能（服役性能）2.1 材料科学与工程的形成与内涵 材料的使用性能：指材料在服役条件下所表现的特性，它是材料性质与服役条件、产品设计及加工融合在一起所决定的要素，其度量指标有可靠性、有效寿命、安全性和成本等综合因素。 材料的物理、化学、力学性质都是成分和

13、结构的体现，它们决定着材料的使用范围。使用性能取决于材料的基本性能。16 材料四要素之间的相互关系是材料科学与工程所关心的基本问题，而材料的结构-性能关系正是这一问题的核心。 无论金属材料、高分子材料还是无机非金属材料，其宏观性能都是由其化学组成和内部结构决定的。材料的使用依赖于材料的性能，而其性能都是由其化学组成和结构决定的。只有从微观上了解材料的组成、结构与性能的关系，才能有效地选择制备和使用材料。2.2 材料的结构与性能17定义: 组成材料的原子或分子之间的空间分布。 材料的结构决定材料的性能。内涵：包含化学成分、晶体结构和缺陷、相组成、形貌等。键合结构晶体结构组织结构 材料的结构2.2

14、 材料的结构与性能18核心关系“材料贯穿于机械工程的始终。” 而其核心是围绕: “结构与性能”的相互辩证关系。2.2 材料的结构与性能192.2.1 材料结构的基本知识1. 成分与结构材料的成分是指组成材料的元素种类及其含量，通常用质量分数(w)表示，有时也用粒子数分数(x)表示及原子分数（at%）。材料的结构主要是指材料中原子(离子或分子等。为了叙述简便，以下统一由原子代表)的排列方式。2.组元、相和组织组元：组元是组成材料最基本的、独立的物质。 组元可以是纯元素，也可以是能稳定存在的化合物。金属材料的组元多为纯元素，陶瓷材料的组元多为化合物。高分子材料则是以高分子化合物为主要组元的材料。2

15、.2 材料的结构与性能20相：材料中具有同一化学成分并且结构和性质相同的均匀连续部分称为相。 相与相之间有明显的界面，材料的结构和性质在相界面上会发生突变，但有界面分开的不一定都是两相，例如，如果材料是由成分、结构均相同的同种晶粒构成的，尽管各晶粒之间有晶界隔开，但它们仍属于同一种相。2.2 材料的结构与性能21组织：材料内部的微观形貌称为材料的组织。 在光学显微镜或电子显微镜下可观察到，能反映各组成相形态、尺寸及分布的图像。白口铸铁 球墨铸铁 2.2 材料的结构与性能223.材料中的化学键合 单个原子通过化学键结合在一起组成材料，各类材料在结构和特性上的差异本质上是由不同元素以特定的键合方式

16、结合造成的。化学键物理键离子键金属键范德华键氢键共价键 结合键 原子、分子间的结合力：是原子、分子之间吸引力和排斥力的合力。 金属离子与自由电子相互吸引所形成的结合力。2.2 材料的结构与性能23电负性：不同元素的原子在分子中吸引电子的能力 , 与原子的亲合能和第一电离能之和成正比。 2.2 材料的结构与性能24 电负性与键性的关系 电负性小的原子结合形成金属键； 电负性大的原子结合形成共价键； 电负性相差大的不同原子结合形成离子键； 电负性相差小的不同原子结合形成共价键和离子键的混合键。2.2 材料的结构与性能254.晶体结构和空间点阵晶体结构：晶体结构是指晶体中，原子（离子、分子）在三维空

17、间的排列方式。空间点阵（晶格）：为了研究方便，通常把在空间中排列的原子（离子、分子）抽象成几何上的点，然后用直线把它们连接起来，就构成了一个有规则的几何格架，即所谓的空间点阵（或晶格）。2.2 材料的结构与性能26晶胞2.2 材料的结构与性能晶胞：能够充分反映整个晶体结构特征的最小构造单位。27布拉菲点阵：可以用晶胞棱边长度a、b、c及棱边之间的夹角、来描述晶胞的大小和形状。 1948年，布拉菲利首先用数学分析方法证明，自然界可能存在的空间点阵只有14种，分属7个不同的晶系，如下图。 2.2 材料的结构与性能28晶体的7种晶系和14种布拉菲点阵晶系布拉菲点阵和符号晶胞参数关系立方晶系简单（P）

18、a = b = c, = = = 90体心（I）面心（F）六方晶系简单（P）a = b c, = = 90, = 120正方晶系（四方）简单（P）a = b c, = = = 90体心（I）菱方晶系（三方）简单（R）a b c, = = 90正交晶系（斜方）简单（P）a = b c, = = = 90体心（I）底心（C）单斜晶系面心（F）a = b c, = = 90简单（P）三斜晶系底心（C）a = b c, 90简单（P）2.2 材料的结构与性能29十四种布拉菲点阵示意图 2.2 材料的结构与性能30非晶单晶多晶晶体：原子以周期性重复方式在三维空间有规则排列的固体，否则称为非晶体。非晶体：

19、原子排列短程有序，无周期晶体金刚石、NaCl、冰 等。液体非晶体 ： 蜂蜡、玻璃 等。2.2 材料的结构与性能 非晶 多晶 单晶 312.2.2 材料的结构 1.金属材料的结构 金属材料一般都是晶体，在常温下，纯金属的晶体结构大部分属于下面3种。面心立方结构；体心立方结构；密排六方结构。 温度发生变化时，同一种金属可能会发生晶体结构转变。常温下的镍、铝、铜、铅、银等金属属于面心立方结构；常温下的铁、钼、钨、铌等属于体心立方结构；常温下的钛、镁、锌等属于密排六方结构。面心立方结构体心立方结构密排六方结构2.2 材料的结构与性能32置换型固溶体：溶质原子占据阵点的固溶体间隙型固溶体：溶质原子占据基

20、本组元原子 间隙的固溶体固溶体间隙式固溶体 置换式固溶体 当金属与其他元素形成合金时，在合金中会形成一定的相。从结构上可以将合金中的相分为固溶体和化合物两类。2.2 材料的结构与性能合金(Alloy)以一种金属元素为基础，加入其它金属或非金属而组成的具有金属特性的材料。33金属间化合物 把金属与金属或金属与非金属元素之间形成的化合物称为金属间化合物。 金属间化合物的晶体结构一般都比较复杂，其结合键中含有较多的离子键和共价键成分，因此金属间化合物通常具有熔点高、硬度高、脆性大等特点。 金属间化合物在合金中一般作为强化相存在，能明显提高合金的强度、硬度和耐磨性。几种金属间化合物的晶胞（a）CaF2

21、结构;（b）闪锌矿结构;（c）VC结构;（d）Fe3C结构2.2 材料的结构与性能342.无机非金属材料的结构 无机非金属材料中的相组成较为复杂，其典型组织由晶体相、玻璃相和气相三者组成，其中的晶体相是主要的组成相。晶体相常见的结构有氧化物结构、非氧化物结构和硅酸盐结构。氧化物结构几种典型氧化物的结构（a）MgO；（b）ThO2；（c）A12O32.2 材料的结构与性能 在-A12O3中，O2-占据密排六方晶格的结点位置，而Al3+对称地填充在其八面体间隙中。35非氧化合物结构 非氧化合物是指金属碳化物、氮化物、硅化物和硼化物等，其结合键主要是离子键，也有一定成分的金属键和共价键。几种非氧化合

22、物的结构（a）碳化物；（b）氮化物；（c）硼化物；（d）硅化物2.2 材料的结构与性能36硅酸盐结构 硅酸盐的结合键为离子键和共价键的混合键，其主要结构特征是Si4+总是位于由4个O2-离子组成的四面体中心，以此构成硅酸盐的基本单元硅氧四面体SiO44-，如下图（a）所示。部分硅酸盐结构示意图（a）SiO44-；（b）Si2O76-；（c）Si3O96-；（d）Si6O1812-；（e）SiO32 2.2 材料的结构与性能373.高分子材料的结构 高分子材料的结构包括高分子链结构和聚集态结构两个层次。高分子链结构高分子链形状示意图a）线型分子链；b）支链型分子链；c）体型分子链线型分子链支链型

23、分子链体型分子链由大量重复的结构单元连接成。（网型分子链）2.2 材料的结构与性能38 由线型和支链型分子链构成的聚合物的性能特点是弹性高，塑性好，硬度低，可以通过加热和冷却的方法使其重新软化（或熔化）和硬化（或固化），故又称为热塑性聚合物。例如，涤纶、尼龙、生橡胶等。 体型分子链构成的聚合物，由于网状分子链的形成，使聚合物分子之间不易相互流动，从而提高了聚合物的强度、耐热性和化学稳定性。这类聚合物具有较高的强度和热固性，加热加压成形固化后，不能再加热熔化或软化，故又称为热固性聚合物。例如，酚醛塑料、环氧树脂、硫化橡胶等。2.2 材料的结构与性能39高分子的聚集态结构 高分子材料的聚集态结构是

24、指其内部高分子链的几何排列和堆砌结构。一般可分为晶态（分子链规则排列）、部分晶态（分子链部分规则排列）和非晶态（分子链无规则排列）三类。 由线型分子链构成的聚合物在一定条件下可以形成晶态或部分晶态，而由体型分子链构成的聚合物均为非晶态。高分子的聚集态结构示意图（a）晶态;（b）部分晶态;（c）非晶态2.2 材料的结构与性能404.晶体结构的不完整性晶体结构缺陷:晶体中原子排列的周期性受到破坏的区域。分点缺陷、线缺陷和面缺陷。点缺陷：是指原子应占而未占的空位或间隙中不该存在存在的间隙原子。形成原因- 热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等。晶体中存在的各种点缺陷示意图（a）空位;（b）间隙原子；（c

25、）小置换原子；（d）大置换原子2.2 材料的结构与性能 点缺陷使周围晶格发生畸变，提高晶体内能，降低导电率，提高强度。41 线缺陷：线缺陷是对材料性能有重大影响的一维缺陷，称为位错（刃型位错和螺位错）。刃型位错螺型位错2.2 材料的结构与性能由晶体中原子平面的错动引起。 产生原因：点缺陷坍塌；应力作用下的塑性变形。 位错越多，其运动越困难，材料的强度、硬度越高，脆性越大。42 面缺陷：面缺陷是指多相材料组成相间的界面和单相材料晶粒间的界面，它们在光学显微镜下即可被看到。 晶界与亚晶界示意图（a）晶界;（b）亚晶界 2.2 材料的结构与性能显微镜照片 面缺陷包括晶界、亚晶界、相界面、表面等。43

26、体缺陷体缺陷是三维缺陷，包括：孔洞(Pores)影响材料的力学、光学、热学性能；裂纹(Cracks)影响材料的力学性能；夹杂(Inclusions)影响材料的力学、光学、电学性能。2.2 材料的结构与性能442.2.3 材料的性能 材料性能是用于表征材料在给定外在条件下行为的参量。 力学性质 物理性质 化学性质 硬度 磁学 催化 刚度 光学 防腐 强度 热学 塑性 电学 韧性 声学1.力学性能 材料的力学性能是指材料受到外力作用时的变形行为以及材料抵抗变形和破坏的能力。2.2 材料的结构与性能45强度：材料抵抗外应力的能力。 与缺陷、键力有关。表征：抗拉强度（ b ）、屈服强度（s） 、抗弯强

27、度、抗压强度。塑性：外力作用下，材料发生不可逆的永久性变形而不破坏的能力。表征：延伸率、断面收缩率2.2 材料的结构与性能46硬度：材料在表面上的小体积内抵抗变形或破裂的能力。弹性：在外力作用下材料产生变形，外力除去后能恢复原状的能力。刚度：抵抗弹性变形能力。表征：弹性模量、杨氏模量、剪切模量疲劳强度：材料抵抗交变应力作用下断裂破坏的能力。表征：疲劳极限、疲劳寿命抗蠕变性：材料在恒定应力（或恒定载荷）作用下抵抗变形的能力。表征：蠕变极限、持久强度韧 性：材料从塑性变形到断裂全过程中吸收能量的能力。表征：断裂韧性 KIC、断裂韧性 JIC2.2 材料的结构与性能47材料的物理性质磁学性质光学性质

28、电学性质导电性绝缘性介电性顺磁性铁磁性抗磁性光反射光折射光学损耗光透性热学性质导热性热膨胀热容熔化2.物理性能1. 电学性能表征：导电率、电阻率、介电常数2. 磁学性能表征：磁导率、矫顽力、磁化率3. 光学性能表征：光反射率、光折射率、光损耗率4. 热学性能表征：热导率、热膨胀系数、熔点、比热 2.2 材料的结构与性能483.化学性能 材料总是在一定的环境介质中工作的，这些介质常常会与材料发生化学反应，影响材料性能的发挥。例如，随处可见的生锈现象，不仅浪费了大量金属资源，而且还会导致各种灾难性的事故。 材料抵抗各种介质作用的能力。 包括溶蚀性、耐腐蚀性、抗渗性、抗氧化性，即化学稳定性。还有催化性和离子交换性。2.2 材料的结构与性能492.3 材料科学与工程的发展趋势 今天，通信产业、生物技术、新能源技术、宇航技术等，都对材料提出了更高的要求。复合化、功能化、智能化、低维化、高性能化、与环境相协调已成为新材料开发的重要目标。 这要求人们从材料的四个要素出发，深入到原子和电子尺度研